論物理課堂實驗的探究質(zhì)量評價的幾個維度

摘要：作者對物理課堂實驗中如何提高科學(xué)探究的質(zhì)量進行了分析，從多個方面進行了討論。

關(guān)鍵詞：物理；課堂實驗；探究；評價標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148(2012)3(S)-0058-4

物理課堂中的探究實驗是學(xué)生主動獲取物理科學(xué)知識、體驗科學(xué)過程、領(lǐng)悟科學(xué)方法的重要學(xué)習(xí)活動，其作用主要是能讓學(xué)生的學(xué)習(xí)方式實現(xiàn)從被動接受(驗證公式、規(guī)律，使學(xué)生信服)到主動獲取知識(建立概念、規(guī)律，主動建構(gòu))的轉(zhuǎn)化，而要達到這一目的很大程度上取決于實驗的科學(xué)探究質(zhì)量和教師的教學(xué)效率。在我們的教學(xué)實踐中，不難發(fā)現(xiàn)存在不少的低效、無效甚至負效的探究實驗。那么，如何衡量和評價課堂實驗的探究質(zhì)量高低就值得我們做深入的思考。

1 理論基礎(chǔ)及架構(gòu)

物理實驗是既是科學(xué)家科學(xué)研究過程的濃縮和再現(xiàn)，也是學(xué)生重演科學(xué)發(fā)展歷程體驗科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程的重要手段，更是學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的有效途徑。

早在20世紀初美國教育心理學(xué)家杜威就提出：“教學(xué)法的要素和思維的要素是相同的。這些要素是：

第一，學(xué)生要有一個真實的經(jīng)驗情境——要有一個對活動本身感到興趣的連續(xù)的活動；

第二，在這個情境內(nèi)部產(chǎn)生一個真實的問題，作為思維的刺激物；

第三，他占有知識資料，從事必要的觀察，對付這個問題；第四，他必須有條不紊地展開他所想提出的解決問題的方法；第五，他要有機會和需要通過應(yīng)用檢驗他的觀念。使這些觀念意義明確，并且讓他自己發(fā)現(xiàn)它們是否有效。”

評價課堂實驗的探究質(zhì)量要抓住幾個重要的要素，諸如：情境、問題、方法、操作、檢驗等等。這些要素之間是環(huán)環(huán)相扣的，有趣的情境激發(fā)產(chǎn)生有價值的問題，必要的知識儲備引導(dǎo)得出有效的方法，有質(zhì)量的操作會檢驗自己的觀點的真?zhèn)危硇缘脑u估會促進知識、技能、思想、情感的同步提高。

2 評價標(biāo)準(zhǔn)的研制

筆者根據(jù)以上理論對物理課堂實驗的探究質(zhì)量的評價體系的若干維度的構(gòu)建做了初步的思考：情境的創(chuàng)設(shè)和設(shè)計：問題的產(chǎn)生和形成：方案的提出和完善；操作的有效和科學(xué)；數(shù)據(jù)的記錄和處理；實驗的總結(jié)和改進。

2.1情境的營造和設(shè)計

教育心理學(xué)認為，學(xué)習(xí)應(yīng)該發(fā)生(或被置于)在真實場景。強調(diào)通過擬真的問題情境創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生理解和掌握知識及技能的“實習(xí)場”，以避除以往從學(xué)校獲得的往往是無法遷移和應(yīng)用的“呆滯”知識的弊病。

(1)新奇性，通過一些“新”“趣”“奇”“巧”的小故事、小實驗、圖片、視頻等等，達到“意想不到”的效果。例如：在自感現(xiàn)象的實驗中。教師要求學(xué)生注意觀察合上電鍵和打開電鍵時小燈泡的亮度變化情況。可以講，這樣的實驗對學(xué)生不具有新鮮感，難以激起探究的興趣。筆者是這樣創(chuàng)設(shè)情境的：讓幾個學(xué)生手牽手與自感線圈并聯(lián)再與3-4節(jié)1.5V的干電池并聯(lián)，當(dāng)電鍵閉合后再斷開時，學(xué)生的手明顯感到被電麻。問題自然生成：為什么小小的幾節(jié)電池(遠比36V安全電壓低)會產(chǎn)生如此神奇的威力?小小的實驗向大家呈現(xiàn)了一個令人困惑或意料之外的情境，由此興趣和欲望被激發(fā)，探究動力也就被提起。

(2)真實性，實際的教學(xué)中，我們有時是把物理實驗搞成了純科學(xué)內(nèi)容的抽象講解或探究，遠離了學(xué)生的生活實際，不能激起強烈的情緒和探究欲望。我們要利用課堂實驗注意情境的創(chuàng)設(shè)和背景的有效鋪墊，縮短教材和學(xué)生之間的距離，從學(xué)生感興趣甚至有爭議的內(nèi)容出發(fā)，使學(xué)生對教材由“近”感到“真”。由“真”感到“親”，從而可親、可近、可信。

(3)實效性，課堂實驗要起到動機激發(fā)并滿足學(xué)生需要的水平層次。在彈性碰撞教學(xué)中，我們設(shè)計用雙線擺，擺球由兩個質(zhì)量相同的玻璃球制成。先是把右邊的球拉開，另一球靜止于平衡位置。放下球后，兩球相碰，右球靜止，左球彈起，當(dāng)左球返回碰撞后，右球又彈起，如此反復(fù)，動、靜交替多次。此時我們放上一段丁俊暉打球的視頻，丁揮桿用白球打過去，靶球被撞向前后，白球停在那兒……面對這一有趣的情景，課堂氣氛立即活躍起來，學(xué)生躍躍欲試。迫不及待地希望通過數(shù)學(xué)分析來破解其中的秘密。

2.2 問題的產(chǎn)生和形成

探究源于困惑。美國心理學(xué)家斯滕伯格將發(fā)現(xiàn)問題的能力作為創(chuàng)造性智力的根本，認為它是成功智力中的關(guān)鍵要素。

(1)自主性。問題或任務(wù)大多是由教師指定的，但最好是由教師和學(xué)生共同選定或?qū)W生自主確定。

(2)生成性。在探究學(xué)習(xí)過程中，新的問題和困惑也會不時出現(xiàn)。問題除了事先預(yù)定的外，還有的是在研究過程中即時產(chǎn)生的，因為問題的目標(biāo)、初始條件或可能的轉(zhuǎn)換往往是不確定的。

(3)階梯性。實際上是對探究任務(wù)的明確，也是對相關(guān)任務(wù)的分解，問題的難易、主次、先后等等的思考能夠?qū)嵤┓桨傅奶岢鲇休^強的基礎(chǔ)和充足的準(zhǔn)備。

(4)有效性。對所有問題的梳理和篩選，真問題、有效問題的形成(剔除無用信息或從中梳理出有效因素)。

在研究《電阻定律》時，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已經(jīng)學(xué)過的物理知識和生活經(jīng)驗大膽猜測導(dǎo)體電阻的各種可能相關(guān)量，學(xué)生的思維過程一定要得到充分的發(fā)揮和自由的展示。教師在帶領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建民主開放的物理課堂的同時，不輕易放過某個看似荒誕、離奇的想法，對于其中存在的或多或少的漏洞：偏差，教師要不失時機的加以糾正，引導(dǎo)反思與感悟。在這一節(jié)課中，我們引導(dǎo)學(xué)生把各種猜測加以概括、總結(jié)，剔除干擾因素，提煉出真問題(也即有效問題)即：電阻的三個獨立的主要參量(如顏色、密度、硬度、質(zhì)地等都與材料有關(guān)，質(zhì)量與材料、長度、橫截面積有關(guān)，……)，并由日常的感性認識進一步猜測了R與三者的關(guān)系。

2.3方案的提出和完善

所謂實驗方案，其實就是通過抓本質(zhì)屬性和典型特征，體現(xiàn)設(shè)計思想、實驗手段和顯示方法，來建立恰當(dāng)?shù)膶嶒災(zāi)Ｐ汀Ｌ岢鰧嶒灧桨覆⑹怪晟疲菍嶒灲虒W(xué)中最能培養(yǎng)想象力和探究能力的環(huán)節(jié)之一。

(1)方案提出過程中的自主性、合作性。實驗教學(xué)的最終目的是培養(yǎng)學(xué)生自主探究的能力，所以在實驗方案提出的過程中要盡可能的發(fā)揮學(xué)生自主、合作的意識，而不是就是包辦代替。

(2)方案的多向性。方案的提出不僅是學(xué)生自主提出，更要是多維的、發(fā)散的，要引導(dǎo)學(xué)生排除思維的單一性和思維定勢的影響，善于找出實驗中需要解決的重點、難點和所能解決的問題，嘗試各種可能的思維方法和解決的過程。例如，要測定重力加速度的大小，學(xué)生們提出了自由落體法、單擺法、圓錐擺法、機械能守恒法、滴水法等等。

(3)方案的優(yōu)選性。對所有的實驗方案要有全面的認識，引導(dǎo)學(xué)生對其優(yōu)劣進行比較并使之完善。優(yōu)選的過程其實也是理性思維上升的過程。是對方案的修正和完善的過程。在這一過程中，要考慮是否服從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)要求，儀器裝置是否易于搭配或制作，現(xiàn)象是否清晰、明了，尤其是要考慮學(xué)生的認知心理的可接受程度、建構(gòu)水平的同化順應(yīng)的適應(yīng)度。

2.4操作的有效性和科學(xué)性

(1)器材應(yīng)該能夠滿足多樣化選擇性的需求，而不是由教師事前已經(jīng)安排好了的菜單式的提供。學(xué)生自主學(xué)習(xí)和小組合作后制定了實驗方案，教師要盡可能提供他們所需要的實驗器材滿足其探究的需求。在器材的選擇中，要引導(dǎo)學(xué)生不要一味追求所謂的高檔儀器(那種全自動、傻瓜式的器材只要讀讀數(shù)據(jù)就行，使學(xué)生偏離了基本的實驗技能的訓(xùn)練，相當(dāng)有害。)我們可以用生活中的日常用品甚至包括兒童玩具等來做科學(xué)實驗，達到簡單、明了、直觀的效果。麥克斯韋也說過，“一項演示實驗使用的材料越簡單，學(xué)生就越熟悉，就越想徹底地獲得所驗證的結(jié)果，這種實驗的教育價值往往與儀器復(fù)雜程度成反比”。在探究牛頓第二定律規(guī)律的實驗中，不少老師采用了先進的DIS技術(shù)，幾組數(shù)據(jù)下來，圖線就出來了。學(xué)生還摸不著頭腦。如果我們用傳統(tǒng)的小車、紙帶、打點計時器來做，學(xué)生就會對實驗步驟、數(shù)據(jù)處理、圖像分析等作較為深入的思考。

(2)操作步驟的合理性、科學(xué)性要求。無論是技巧性實驗還是一般性實驗，操作在很大程度上影響著實驗的結(jié)果。實驗操作時實驗實施的過程，每一步都要能說出其道理，了解其作用以及所產(chǎn)生的后果。操作程序的環(huán)環(huán)相扣、規(guī)范和科學(xué)，會有助于相關(guān)概念、規(guī)律自然的得出。

(3)實驗操作步驟的逐步完善中對實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，諸如儀器的性能和作用、器材的裝配和要領(lǐng)、操作的規(guī)范和熟練、如何簡化、方便地操作、如何把隱性現(xiàn)象呈現(xiàn)出來等等。

在研究自感的實驗中，我們就是引導(dǎo)學(xué)生不斷在實驗的“失敗”(預(yù)想結(jié)論的得不出)中完善操作和設(shè)計，在探究的層次推進中培養(yǎng)實驗的能力。

①引人性實驗：磁鐵插入線圈過程中閉合回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流(圖1)。

②產(chǎn)生問題：在圖2中，改變線圈中電流也會引起線圈中磁通量變化，是否產(chǎn)生感應(yīng)電動勢?實驗如何顯示出來?

③初步分析并驗證：在圖3中。分析可知K閉合時，小燈泡應(yīng)該滯后發(fā)光。實驗發(fā)現(xiàn)合上開關(guān)，燈泡立即發(fā)光。(原因是人的眼睛分辨不出來)。

④深度分析并修證：引導(dǎo)學(xué)生采取參比、補償?shù)霓k法(通過兩個燈泡來比較發(fā)光的先后：調(diào)節(jié)變阻器使兩燈泡亮度相同)，設(shè)計出圖4，實驗操作結(jié)果表明：L₁比L₁延遲發(fā)光。

⑤拓展分析并驗證：在圖4中，如果斷開S，燈泡應(yīng)該延遲熄滅。實驗發(fā)現(xiàn)兩燈泡一起立即熄滅。

⑥深度分析并修證：分析可能是回路電阻太大的原因。修正設(shè)計為圖5，實驗證明：當(dāng)S斷開，燈閃爍一下再熄滅。

⑦其實在實驗中還會遇到很多問題(諸如線圈自感系數(shù)大小、電阻阻值大小、燈泡大小等相互的關(guān)系)，我們要把這些問題抑或困惑轉(zhuǎn)變成探究的課題(而不是直接告訴學(xué)生如何做或者結(jié)論)，從而可以更好的幫助學(xué)生理解相關(guān)的知識。

(4)小組合作的情況。為使實驗探究有序進行，相關(guān)任務(wù)的分工要有預(yù)案。例如在運用頻閃照相研究“落體運動加速度”中，學(xué)生必須完成以下任務(wù)：方案設(shè)計(直接測量的物理量是什么?如何測量?)；器材的安裝和調(diào)試(如何達到簡便、精準(zhǔn)?)；標(biāo)尺的制作；實際拍攝(如果用數(shù)碼相機，如何達到多次曝光在一張底片上?)；照片的分析(建立怎樣的數(shù)學(xué)模型?)；實驗報告。尤其在操作中要做好細致的分工，在每一時段誰干什么、達到什么要求都要很明確，這樣才不至于實驗前茫然無緒，實驗時手忙腳亂，實驗后遺三忘四。

2.5數(shù)據(jù)的記錄和處理

(1)數(shù)據(jù)記錄表格的設(shè)計要讓學(xué)生自己完成。應(yīng)該體現(xiàn)實驗設(shè)計的思想，要引導(dǎo)關(guān)注實驗?zāi)繕?biāo)、研究的對象、收集數(shù)據(jù)的時段、有關(guān)現(xiàn)象的特征以及可能相關(guān)的物理量等。在記錄實驗數(shù)據(jù)的同時還要注意把有些非量化的數(shù)據(jù)(諸如現(xiàn)象)也要記錄下來。

(2)記錄的忠實性、原始性、重復(fù)性。數(shù)據(jù)記錄要及時、完整，注意有效數(shù)字和單位的要求。對于看似不合理數(shù)據(jù)，可以通過實驗來補測，但不要輕易放棄這些數(shù)據(jù)(要好好分析其原因，有時需要修正實驗步驟，有時也蘊含著新的現(xiàn)象或規(guī)律值得探究)，切不可修改數(shù)據(jù)或編造數(shù)據(jù)以達到所謂的“準(zhǔn)確結(jié)果”。

(3)數(shù)據(jù)處理手段科學(xué)、合理。要引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)要進行理性分析，對相關(guān)物理量的關(guān)系要做出猜想，嘗試建立起相關(guān)的模型和關(guān)系，并進一步來驗證。一是可以通過計算法來處理，二是可以通過圖像法來處理數(shù)據(jù)，圖像法處理數(shù)據(jù)很直觀，也是常用手段，但往往不太為學(xué)生所熟知，教師可以做出示范。

2.6實驗的總結(jié)和改進

(1)實驗?zāi)繕?biāo)實現(xiàn)的達成度，對整個實驗進行評估。預(yù)期探究的目標(biāo)的達成度如何?學(xué)生的主動性學(xué)習(xí)如何?不僅僅是看是否得出了“預(yù)期的數(shù)據(jù)和結(jié)果”。

(21亮點和創(chuàng)新，實驗所體現(xiàn)的原理方法、儀器裝置、步驟流程、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)有些什么創(chuàng)新和突破，教師如何利用差異性結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生認知。激發(fā)學(xué)生探究的欲望。

(3)體現(xiàn)的思想和方法，要引導(dǎo)學(xué)生反思實驗所體現(xiàn)的物理思想方法都有哪些(比如常用到的控制變量法、參比對照的方法等等)，物理思想方法是比知識和技能更為重要的東西。是物理教育的核心。

(4)不足和改進，引導(dǎo)學(xué)生從原理、器材、步驟、處理來分析實驗的不足(包括是否給學(xué)生留夠足夠的時間和空間等)，盡可能提出改進的方法和措施。

(5)延伸性問題的產(chǎn)生，可以通過實驗進一步拓展研究的問題，比如相關(guān)聯(lián)或可牽連的問題的聯(lián)想、可以作為一個類別來處理的問題的實驗方法的遷移等，例如理解了卡文迪許扭秤實驗的精妙，從而對庫倫定律扭秤實驗方法的遷移。

以上僅僅是對課堂實驗的探究質(zhì)量評價的維度做了個初步梳理，沒有涉及到評價原則和評價方法，其實在操作時，我們還要根據(jù)這些維度研制出具體的、分等級的評價細則，并把握好各個維度的權(quán)重系數(shù)，從而才能夠?qū)ο嚓P(guān)的物理課堂實驗的探究質(zhì)量作出準(zhǔn)確的評價。

(欄目編輯 王柏廬)